基于自由口模式的S7-200 PLC与上位机的通信

西门子公司的SIMATIC S7-200系列PLC是广泛适用于中小型设备控制的工业可编程控制器，以其可靠性高、丰富的指令和内置功能、通信能力强、性价比较高等特点，在工业控制领域中得到越来越广泛的应用[1]。在本文的控制系统中，PLC作为下位机完成现场各种信号和数据的采集、运算和控制[2-4]。工控PC机作为上位机可提供人机交互界面，实现数据的处理以及现场数据的实时显示等监视和远程控制等功能。S7-200系列的PLC可以在四种通信模式下工作：PPI模式、MPI模式、PROFIBUS-DP模式和自由口通信模式。其中，PPI和MPI是西门子专门开发的通信协议。PPI协议用于点对点接口，是一个主/从协议。MPI协议适用于多点接口，可以是主/主协议或主/从协议。PROFIBUS-DP是西门子支持的现场总线网络[5]。而大多数用户则是选用对用户完全开放的自由口通信模式。在自由口通信模式下，通信协议是由用户定义的。用户可以用梯形图程序调用接收中断、发送中断、发送指令(XMT)、接收指令(RCV)来控制通信操作。本设计采用自由口方式，重点介绍工控PC机与主控PLC的通信原理与实现。
1 硬件组成
ITER导体穿缆测力测长控制系统的框图如图1所示。将测力传感器和测长编码器通过信号线与PLC相连，这样穿缆过程中的拉力数据和行程数据就能够实时写入PLC的寄存器中。PLC通过通信电缆与PC机的串行通信口相连，在PC机中设置VB的MSCOMM控件来实现串口通信，这样PC机就能读取PLC寄存器中的拉力和行程数据，对穿缆过程进行实时监控。

2 工控PC机与主控PLC的自由口通信协议
工控PC机标准的串口为RS232C，S7-200系列提供的串口为RS485，利用西门子公司提供的PC/PPI电缆，可以方便地实现S7-200系列PLC与PC之间硬件连接[1]。
上位机向PLC发送指令(即指令帧)，指令帧格式如图2所示，由起始字符、指令类型、目标PLC站地址、目标寄存器地址、读/写字节数、待写入的数据(当从PLC读数据时，具体数据部分为空)、校验码和结束字符组成。

例如写VB100开始的两个字节的指令帧如下：83H，06H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，31H，32H，33H，34H，35H，36H，115H。下面按顺序说明每段字节的含义：
　83H为字符"S"的ASCII码，表示指令的开始，在本设计中是固定的。
　06H表示指令的类型，为写操作。在本文中定义05H代表读操作，06H代表写操作。
　08H，00H表示要写PLC中V存储区的内容。
　00H，64H表示要从VB100开始写。
　30H，32H表示要写两个字节。
　31H，32H，33H，34H表示VB100写入12H，VB101写入34H。
　35H，36H是校验和。
　115H为字符"s"的ASCII码，是结束字符，表示指令的结束，在本设计中是固定的。
一条指令除包含数据外，还包含必要的控制字(如起始字符、结束字符、指令类型等)。如果指令中的数据直接以其原本的形式传输，则不可避免地会与指令中的控制字发生混淆。为了避免这种情况的发生，可以用文本来传送二进制数据。通过16进制ASCII码的格式来描述数据，每个二进制的字节都可以表示成一对ASCII编码，这对编码表示这个字节的两个16进制字符。这种格式可以表示任何的数值，仅仅使用ASCII代码的30H~39H(表示0~9)和41H~46H(表示A~F)。ASCII码的其余部分可以用作控制字。这样就避免PLC因接收到数据中错误的标志位而停止接收的错误。
在PLC接到上位机指令后，会向上位机发送一个反馈消息，即反馈帧，反馈帧格式如图3所示。其组成与指令帧基本相同，但它是由PLC发出的，所以具体数据段不同，在向PLC写数据时，反馈帧的具体数据部分为空，而在从PLC读数据时，具体数据部分不能为空。

例如，PLC接收到写VB100开始两个字节后的发送反馈帧如下：83H，02H，08H，00H，00H，64H，30H，32H，35H，36H，115H。下面按顺序说明每段字节的含义：
　83H为字符"S"的ASCII码，与指令帧相同。
　02H为状态信息，表示接收到上位机指令后PLC的执行状态。在本文中02H表示写入正确，相应地规定01H表示读取正确，03H表示BCC校验码错误，04H表示指令不合法。
　08H，00H表示要写入PLC中V存储区的内容，与指令帧相同。
　00H，64H表示要从VB100开始写，与指令帧相同。
　30H，32H表示要写两个字节，与指令帧相同。需注意的是，此时具体数据段为空。
　35H，36H是校验和，因无数据段，与指令帧可能不同。
　115H为字符"s"的ASCII码，表示此帧结束，与指令帧相同。
3 工控PC机软件设计
工控PC机端通信程序流程图如图4所示。发送指令帧后，注意查询反馈帧，如一定时间内没有接收到，应再次发送，两次无响应，则要提示通信故障或PLC不存在。